آزمایش های شیمی

آزمایش‌های نمایشی نقش مهمی در آموزش شیمی مدرن دارند.

آزمایش های نمایشی یک جاذبه بصری برای ایجاد سرگرمی در درک شیمی مدرن ارائه می‌دهند.

به عنوان یک مفهوم کمک آموزشی برای دانش آموزان هستند.

آزمایش های نمایشی دارای ویژگی‌های زیر می‌باشند:

آزمایش های نمایشی اغلب تماشایی و مهیج هستند و ایجاد انگیزه می‌کنند. اجازه می‌دهند دانش‌آموزان آزمایش‌هایی را مشاهده کنند که خودشان به دلیلی مانند کمبود مهارت، ایمنی، دستگاه‌های گران‌قیمت و مواد یا منابع محدود هیچگاه قادر به انجام آن‌ها نبوده‌اند.

منابع اندیشه آفرینان شریف از متون و از تجربیات معلمان شیمی در سراسر جهان جمع‌آوری شده است و منطبق با مطالبی است که دانش‌آموزان در کلاس‌های درس می‌خوانند و باید بدانند.

برخی از موضوعاتی که به عنوان سرفصل تهیه شده است:

آزمایش های نمایشی

                   شعبده بازی شیمیایی

                                       شیمی مواد منفجره

                                                           شیمی جنایی

                                                                               شیمی در زندگی روزمره

                                                           شیمی آشپزخانه

                                       شیمی سبز

                   شیمی دارو

شیمی رنگ

                   شیمی نفت

                                       الکتروشیمی

                                                          انجام آزمایش‌های شیمی در خانه

در ادامه به صورت خلاصه علم شیمی و آزمایش های نمایشی را به شما معرفی کرده‌ایم…

واژهٔ شیمی از کیمیا که نام یکی از علوم پنجگانه خفیه در دوران کهن است، اقتباس شده است. در زبان مصری باستان، کیمیا از واژهٔ خامه یا خَمِه به معنای زمینِ سیاه برگرفته شده است. پس از تسلط ایرانیان بر مصر در ۵۲۰ پیش از میلاد ، این واژه به صورت کیمیا (به معنی آزمایش های شیمی نمایشی) به شرق آمده است. پس از تسلط یونانیان در ۳۳۰ پیش از میلاد به صورت خومِیا (به یونانی: χυμεία) در یونانی نیز وارد گردیده است. در دوران تسلط خلافت اسلامی در خاورمیانه، به صورت الکیمیاء درآمده است. با جنگ‌های صلیبی به صورت الشمی(به انگلیسی: Alchemy) مجدداً به اروپا آمده است.

تاریخچه شیمی و آزمایش های نمایشی

کوشش‌های نخستین بشر برای فهمیدن طبیعت مواد و بیان چگونگی دگرگونی آن‌ها ناموفق بود. اندک اندک کوشش‌ها برای تبدیل مواد کم ارزش، به مواد ارزشمندی چون زر و سیم، منجر به پیدایی دانش کیمیا یا آزمایش های نمایشی گردید. این دانش اغلب همراه با شعبده بازی و آزمایش های نمایشی بود. هر چند در ظاهر دانش کیمیا به خواست اصلی خود نرسید. اما دستاوردهای کیمیاگران در این راه به اندوخته گرانبهایی تبدیل شد. که پایه‌گذار شیمی مدرن یا همان آزمایش های نمایشی گردید.

نظریه اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می‌دارد. که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر به‌سزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی یا آزمایش های نمایشی، مقدار ماده تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند. همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند)

این مطلب به طور ساده به این معنی است:

اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی معمولی یا ازمایش های نمایشی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم. مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.

این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر در آزمایش های نمایشی شرکت می کنند. برای نمونه زمانی‌که آتش چوب را می‌سوزاند. واکنشی است بین اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و مواد آلی چوب. که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد)

یکی از یافته‌های بنیادین و جالب دانش شیمی این بوده‌است که:

اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده‌است. که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبت‌های معین وجود دارد(مواد غیر استوکیومتری).

یکی دیگر از یافته‌های کلیدی شیمی این بود که زمانی که یک واکنش شیمیایی مشخص یا ازمایش های نمایشی رخ می‌دهد، مقدار انرژی که بدست می‌آید یا از دست می‌رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل، ترمودینامیک و سینتیک شیمیایی می‌رساند.

شیمی فیزیک

شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده‌است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی یا ازمایش های نمایشی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است. و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد (مانند تئوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد. زیرا نتایج مهم این تئوری (بخصوص اوربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.

با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود. اما از مفهوم اساسی آن، یعنی کوانتومی کردن انرژی، نمی‌توان صرف نظر کرد. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌های طیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم وابسته‌اند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود. اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.

یکی دیگر از تئوری‌های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود. نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده‌است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند، در عمل تقریباً با شیمی آزمایش های نمایشی پیوند ندارند.

کاربرد و زیر شاخه‌ها

همانطور که می‌دانیم شیمی در تمام سطوح زندگی اعم از زندگی روزمره تا تخصصی‌ترین مسائل مانند مکانیک کوانتم  نقش دارد. اما ما در اینجا می خواهیم بدانیم که یک متخصص در زمینه های مرتبط با علم شیمی و آزمایش های نمایشی چه توانایی هایی دارد:

شیمیست محض

یک شیمیست محض به تمام مسایلی که حل آن کمکی در جهت گسترش مرزهای دانش شیمی آزمایش های نمایشی است. علاقه نشان داده است. و در یک اشل آزمایشگاهی مشغول پژوهش و تحقیق بر روی آزمایش های نمایشی می‌شود. بدون توجه زیاد به آنکه نتیجه کار تا چه حد کاربرد صنعتی داشته باشد. بنابراین، یک شیمیست عهده‌دار تجزیه شیمیایی، اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی است. این موارد مربوط به یک ترکیب، سنتز یک ماده شیمیایی جدید و یا تکوین یک فرآیند نوین شیمیایی می‌باشد. این کار اغلب در کنار کامپیوتر‌های پیشرفته و یا بر روی میز آزمایشگاه و به کمک ابزار و آلاتی که ظرفیت آن‌ها حداکثر به پنج لیتر می‌رسد، انجام می‌گیرد.

شیمیست کاربردی

یک شیمیست کاربردی با عنایت به اینکه در اصل یک شیمیست بوده است (متجاوز از ۷۰ درصد دروس مشترک با شیمی محض گذرانده). در جنب آن با زیان و اصلاحات مهندسی صنعتی و مهندسی آشنایی دارد، دستاوردها و نتایج پژوهش‌های شیمی محض را مرور کرده است. بخشی از آن را که کاربردی و قابل پیاده شدن در صنعت تشخیص دهد. جدا کرده و در یک اشل نیمه صنعتی (پاپیلوت) آزموده است. و نسبت به امکان اجرای پروژه در اشل صنعتی اظهار نظر می‌کند.

بنابراین، پس از آنکه فرآیند نوینی توسط شیمیست محض در اشل آزمایشگاهی گزارش شد. مراحل بعدی و رساندن فرآیند به مرز صنعتی به شیمیست کاربردی واگذار می‌شود. طرح‌های موفق شیمیست کاربردی برای پیاده شدن در صنعت و طراحی تاسیسات به مهندس شیمی. یعنی کسی که در اصل یک مهندس است. (متجاوز از ۷۰ درصد دروس گذرانده مهندسی بوده). به‌طور جنبی با زبان و اصطلاحات شیمی آشنا است، محول می‌شود.

در این مرحله از کار، موضوع انتقال حرارت و انتقال جرم جزء مشکل‌ترین بخش پروژه به حساب می‌آید. مواد خام اولیّه به جای آن که با دست حمل شوند به وسیله پمپ یا وسایلی نظیر آن به راکتور منتقل می‌شود. کنترل کیفیت هوای داخل کارخانه بایستی در حد استاندارد‌های تعیین شده باشد. جمع‌آوری و دفع ضایعات و محصولات جنبی بایستی مطابق اصول انجام گیرد.

یک مهندس شیمی علاوه بر موارد فوق می‌بایستی به کاهش هزینه تولید، کیفیت مواد اولیه و انرژی مصرفی توجه کند. همچنین نیروی انسانی، بازگشت سرمایه و نحوه دفع مواد ضایع شده و جنبی را مد نظرداشته باشد.

شاخه‌های علم شیمی

شیمی تجزیه، که به تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهنده آن‌ها می‌پردازد.

شیمی آلی، که به مطالعه ترکیبات کربن‌دار، غیر از ترکیباتی چون دو اکسید کربن (دی اکسید کربن) می‌پردازد.

شیمی معدنی، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آن‌ها تاکید نشده است. برخی خواص مولکول‌ها می‌پردازد.

شیمی فیزیک، که پایه و اساس کلیه شاخه‌های دیگر را تشکیل می‌دهد. شامل ویژگی‌های فیزیکی مواد و ابزار تئوری بررسی آن‌هاست.

دیگر رشته‌های مطالعاتی و شاخه‌های تخصصی که با شیمی و آزمایش های نمایشی پیوند دارند. عبارت‌اند از: علم مواد، مهندسی شیمی، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی.

شیمی در ایران

شیمی و آزمایش های نمایشی در ایران از پیشینه بسیار طولانی برخوردار است. از زمان کیمیاگران گرفته که سعی می‌کردند از فلزات بی‌ارزش طلا بسازند. تا زکریای رازی، کاشف الکل. همگی بر قدمت این علم در ایران دلالت دارند.

اما تاریخچه مهندسی شیمی در ایران به تأسیس مدرسه صنعتی ایران و آلمان برمی‌گردد. که پس از جنگ جهانی یکم به عنوان غرامت جنگی به ایران واگذار گردید. در این مدرسه عالی در هر رشته مهندسی شیمی، برق و ماشین حدود بیست نفر دانشجو پذیرفته می‌شد. گرچه پس از گذراندن دوره‌ای دو ساله دانش‌آموختگان آن مهندس شیمی نامیده می‌شدند. اما برنامه درسی آن‌ها بیشتر دروس مربوط به رشته شیمی با تأکید بر شیمی تجزیه و آزمایشگاه بود. شش سال بعد یعنی در سال  ۱۳۱۳ که دانشگاه تهران بنیاد شد. و رشته مهندسی شیمی بخشی از دانشکده فنی را به خود اختصاص داد.

رقابت‌های ناسالم

رقابت های ناسالم میان دانش آموختگان این دو واحد آموزشی سرانجام منجر به منحل شدن مدرسه عالی صنعتی شد. که در آن زمان «هنرسرای عالی» نامیده می‌شد گردید. مدتی بعد دانشگاه صنعتی پلی تکنیک تأسیس شد (سال ۱۳۳۶) . برای دوره چهار ساله مهندسی شیمی نیز دانشجو پذیرفت. پس از این دو دانشگاه، دانشگاه شیراز تاسیس شد. سپس در سال  ۱۳۴۴ دانشگاه صنعتی آریامهر سابق (صنعتی شریف فعلی) برپا شد. با برنامه‌ای که تفاوت محسوسی با برنامه درسی امروز مهندسی شیمی نداشت پا به عرصه وجود گذاشتند.

در سال‌های بعد ضمن گسترش دوره‌های کارشناسی، دوره‌های کارشناسی ارشد و در بعضی دانشگاه‌ها دوره دکتری نیز گشایش یافتند. لازم به یادآوری است. در طی این سالیان دانشکده نفت آبادان نیز با افت و خیزهای زیاد فعالیت کرده است. در برخی از سال‌های فعالیت خود، در رشته‌ مهندسی شیمی نیز دانشجو پذیرفت. تعداد دانش‌آموختگان مهندسی شیمی در ایران تا سال ۱۳۷۰ حدود هشت هزار نفر برآورد می‌شود.